基于介电弹性体最小能量结构的机械臂制造技术

本发明专利技术公开了一种基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，机械臂包括串联在一起的多个刚性折纸机构，刚性折纸机构整体呈柱体形状，包括两个支架体和多个刚性折纸，刚性折纸与支架体的连接处形成第一折痕，每个第一折痕对应设置驱动组件，驱动组件包括最小能量结构式介电弹性体驱动器，驱动组件具有弯曲后可相互靠近或远离的两个连接端，驱动组件的其中一个连接端为移动端，驱动组件的移动端与其所对应第一折痕之间的距离可随所述驱动组件的弯曲而改变，驱动组件的另一个连接端为固定端，驱动组件的固定端与其所对应第一折痕之间的距离固定设置。本发明专利技术具有多个自由度、灵活性好、响应速度快、驱动力更大、环境适应性强。环境适应性强。环境适应性强。

【技术实现步骤摘要】
基于介电弹性体最小能量结构的机械臂


[0001]本专利技术属于智能机器人
，具体涉及基于介电弹性体最小能量结构的机械臂。

技术介绍

[0002]现有的机械臂大多由刚性材料制作而成，采用电机或液压驱动，能够输出较大的载荷，代替人类在一些极端环境中工作，然而，刚性材料不可变性的特点限制了机械臂的环境适应能力，制约了其在狭小空间和崎岖环境中的行动能力，因此，迫切需要一种具有复杂环境适应能力的新型柔性机械臂。而介电弹性体材料具有驱动应变大、能量密度高、能量转换效率高、响应速度快等特点，更适合用于柔性机械臂的驱动。此外，近些年来，折纸结构凭借其良好的折叠特性和大折展比的特点而广受关注，将折纸技术用到机械臂的设计中可增加其对环境的适应性。
[0003]专利授权公告号为CN105856271B的中国专利技术专利公开了一种基于形状记忆聚合物与介电弹性体的航空机械臂及其制作方法。该专利技术的机械臂不依赖于复杂的机械结构，展开主要依赖于形状记忆聚合物的形状记忆效应以及介电弹性体受电压自我拉伸的性质，密度小并且可以承受较大变形，可以在发射前进行压缩收纳，减小发射时占据的空间和有效载荷。上述机械臂的伸展依靠形状记忆聚合物和介电弹性体混合驱动，伸展量难以实现精确控制，并且驱动力较小。
[0004]参考论文“Soft pneumatic actuator
‑
driven origami
‑
inspired modular robotic“pneumagami”.”，文章介绍了一种新的模块化机器人，用于实现具有紧凑外形的可重构、主动控制、高自由度(高自由度)系统，例如线性组装形成连续式机械臂。上述模块化机器人通过气动软袋驱动，气动辅助元件较多，结构较为复杂。
[0005]公开(公告)号为CN112959346A的中国专利技术专利公开了一种介电弹性体驱动的刚性折纸式灵巧手模块化驱动指节。该专利技术的指节通过多层弯曲型介电弹性体驱动器驱动，具有多个自由度，灵活性好，响应速度快，折纸结构提高了指节的刚性及负载能力，介电弹性体材料自身固有的柔性结合折纸结构的折叠特性提高了指节的环境适应性。上述指节存在如下缺点：
①
驱动力小；
②
指节的弯曲角度难以控制；
③
指节压缩或弯曲时，相互连接的两个折纸单元的变形难以预估，可能会与驱动器干涉从而破坏指节的运动；
④
当指节长度改变时，多层弯曲型介电弹性体驱动器也需要设计得更长，通用性差。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的上述不足，本专利技术提供一种多自由度、灵活性好、响应快、环境适应性强，且驱动力更大的基于介电弹性体最小能量结构的机械臂。
[0007]本专利技术提供以下的技术方案：一种基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，所述机械臂包括串联在一起的多个刚性折纸机构，所述刚性折纸机构整体呈柱体形状，包括分别设于所述柱体两端的两个支架体和围绕所述柱体中心线均布设置的多个刚性折纸，所述
刚性折纸与所述支架体的连接处形成第一折痕，每个所述第一折痕对应设置驱动组件，所述驱动组件包括最小能量结构式介电弹性体驱动器，所述驱动组件具有弯曲后可相互靠近或远离的两个连接端，所述驱动组件的两个连接端分别连接形成其所对应第一折痕的刚性折纸和支架体，所述驱动组件的其中一个连接端为移动端，所述驱动组件的移动端与其所对应第一折痕之间的距离可随所述驱动组件的弯曲而改变，所述驱动组件的另一个连接端为固定端，所述驱动组件的固定端与其所对应第一折痕之间的距离固定设置，所述驱动组件弯曲带动其所对应第一折痕角度改变，所述第一折痕角度改变带动形成所述第一折痕的所述刚性折纸形变，所述刚性折纸形变带动所述柱体弯曲或长度改变。
[0008]本专利技术的一个实施例中，所述驱动组件还包括第一刚性支撑部件和第二刚性支撑部件，所述第一刚性支撑部件和所述第二刚性支撑部件分别连接所述最小能量结构式介电弹性体驱动器并分别作为所述驱动组件的移动端和固定端。
[0009]本专利技术的一个实施例中，驱动组件未通电时，所述驱动组件呈弯曲状态且拱起高度为H1，所述驱动组件对应的第一折痕角度为α1，驱动组件通电时，所述驱动组件呈弯曲状态或平整状态且拱起高度为H2，所述驱动组件对应的第一折痕角度为α2，H1大于H2，α1小于α2。
[0010]本专利技术的一个实施例中，所述最小能量结构式介电弹性体驱动器包括柔性基底、设于所述柔性基底上的预拉伸的介电弹性体薄膜以及均匀涂覆于所述预拉伸的介电弹性体薄膜两侧的柔性电极。
[0011]本专利技术的一个实施例中，所述预拉伸的介电弹性体薄膜采用聚丙烯酸酯、天然橡胶或硅胶，所述柔性电极采用碳脂、单壁碳纳米管或银纳米线导电液。
[0012]本专利技术的一个实施例中，所述驱动组件的移动端通过销轴和挡板可移动连接于一长孔内，所述销轴穿过所述长孔，所述销轴的两端分别连接所述驱动组件和所述挡板。
[0013]本专利技术的一个实施例中，所述驱动组件的移动端的移动方向与其所对应的第一折痕垂直。
[0014]本专利技术的一个实施例中，所述驱动组件的固定端粘结固定。
[0015]本专利技术的一个实施例中，所述驱动组件的移动端连接所述刚性折纸，所述驱动组件的固定端连接所述支架体。
[0016]本专利技术的一个实施例中，所述刚性折纸上仅设有一个第二折痕，所述第二折痕为单顶点多折痕图案。
[0017]由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有下列优点：
[0018]1)本专利技术公开的基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，采用刚性折纸和最小能量结构式介电弹性体驱动器，具有多个自由度、灵活性好、响应速度快、驱动力更大、环境适应性强；
[0019]2)本专利技术公开的基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，驱动组件设置在刚性折纸与支架体之间的第一折痕处，只需要通过控制折痕处的角度即可控制刚性折纸机构的运动，控制简便，并且可用于各种不同尺寸的刚性折纸机构的驱动，通用性强。
[0020]3)本专利技术公开的基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，机械臂由多个刚性折纸机构串联组成，每个刚性折纸机构单独控制，因此机械臂的操作更灵活、运动范围更广、环境适应性更强。
附图说明
[0021]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0022]图1为本专利技术中机械臂的整体示意图；
[0023]图2为本专利技术中刚性折纸机构的整体示意图；
[0024]图3为本专利技术中刚性折纸机构的支架体与刚性折纸之间的连接示意图；
[0025]图4为本专利技术中驱动组件的示意图；
[0026]图5为本专利技术中输入电压前驱动组件的示意图；
[0027]图6为本专利技术中输入电压后驱动组件的示意图；
[0028]图7为本专利技术中各个驱动组件的输入电压相同时刚性折纸机构的示意图；
[0029]图8为本专利技术中各本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，所述机械臂包括串联在一起的多个刚性折纸机构，所述刚性折纸机构整体呈柱体形状，包括分别设于所述柱体两端的两个支架体和围绕所述柱体中心线均布设置的多个刚性折纸，所述刚性折纸与所述支架体的连接处形成第一折痕，其特征在于，每个所述第一折痕对应设置驱动组件，所述驱动组件包括最小能量结构式介电弹性体驱动器，所述驱动组件具有弯曲后可相互靠近或远离的两个连接端，所述驱动组件的两个连接端分别连接形成其所对应第一折痕的刚性折纸和支架体，所述驱动组件的其中一个连接端为移动端，所述驱动组件的移动端与其所对应第一折痕之间的距离可随所述驱动组件的弯曲而改变，所述驱动组件的另一个连接端为固定端，所述驱动组件的固定端与其所对应第一折痕之间的距离固定设置，所述驱动组件弯曲带动其所对应第一折痕角度改变，所述第一折痕角度改变带动形成所述第一折痕的所述刚性折纸形变，所述刚性折纸形变带动所述柱体弯曲或长度改变。2.根据权利要求1所述的基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，其特征在于，所述驱动组件还包括第一刚性支撑部件和第二刚性支撑部件，所述第一刚性支撑部件和所述第二刚性支撑部件分别连接所述最小能量结构式介电弹性体驱动器并分别作为所述驱动组件的移动端和固定端。3.根据权利要求1所述的基于介电弹性体最小能量结构的机械臂，其特征在于，驱动组件未通电时，所述驱动组件呈弯曲状态且拱起高度为H1，所述驱动组件对应的第一折痕角度为α1，驱动组件...

【专利技术属性】
技术研发人员：李阳，张庭，宁传新，巩振华，李轩，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：